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第一篇 生物大分子的結構與功能
第一章 氨基酸和蛋白質
一、組成蛋白質的20種氨基酸的分類
１、非極性氨基酸
包括：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸
�。�、極性氨基酸
極性中性氨基酸：色氨酸、酪氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、蘇氨酸
酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸
堿性氨基酸：賴氨酸、精氨酸、組氨酸
其中：屬于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸
屬于亞氨基酸的是：脯氨酸
含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸
注意：在識記時可以只記第一個字，如堿性氨基酸包括：賴精組
二、氨基酸的理化性質
�。�、兩性解離及等電點
氨基酸分子中有游離的氨基和游離的羧基，能與酸或堿類物質結合成鹽，故它是一種兩性電解質。在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性，此時溶液的ＰＨ稱為該氨基酸的等電點。
�。�、氨基酸的紫外吸收性質
芳香族氨基酸在280nm波長附近有最大的紫外吸收峰，由于大多數蛋白質含有這些氨基酸殘基，氨基酸殘基數與蛋白質含量成正比，故通過對280nm波長的紫外吸光度的測量可對蛋白質溶液進行定量分析。
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氨基酸的氨基與茚三酮水合物反應可生成藍紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波長處。由于此吸收峰值的大小與氨基酸釋放出的氨量成正比，因此可作為氨基酸定量分析方法。
三、肽
兩分子氨基酸可借一分子所含的氨基與另一分子所帶的羧基脫去１分子水縮合成最簡單的二肽。二肽中游離的氨基和羧基繼續(xù)借脫水作用縮合連成多肽。10個以內氨基酸連接而成多肽稱為寡肽；39個氨基酸殘基組成的促腎上腺皮質激素稱為多肽；51個氨基酸殘基組成的胰島素歸為蛋白質。
多肽連中的自由氨基末端稱為Ｎ端，自由羧基末端稱為Ｃ端，命名從Ｎ端指向Ｃ端。
人體內存在許多具有生物活性的肽，重要的有：
谷胱甘肽（GSH）：是由谷、半胱和甘氨酸組成的三肽。半胱氨酸的巰基是該化合物的主要功能基團。GSH的巰基具有還原性，可作為體內重要的還原劑保護體內蛋白質或酶分子中巰基免被氧化，使蛋白質或酶處于活性狀態(tài)。
四、蛋白質的分子結構
�。�、蛋白質的一級結構：即蛋白質分子中氨基酸的排列順序。
主要化學鍵：肽鍵，有些蛋白質還包含二硫鍵。
�。病⒌鞍踪|的高級結構：包括二級、三級、四級結構�！ �
�。保┑鞍踪|的二級結構：指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，也就是該段肽鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象。二級結構以一級結構為基礎，多為短距離效應�？煞譃椋�
α-螺旋：多肽鏈主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律地螺旋式上升，順時鐘走向，即右手螺旋，每隔3.6個氨基酸殘基上升一圈，螺距為0.540nm。α-螺旋的每個肽鍵的Ｎ-Ｈ和第四個肽鍵的羧基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平形。
β-折疊：多肽鏈充分伸展，各肽鍵平面折疊成鋸齒狀結構，側鏈Ｒ基團交錯位于鋸齒狀結構上下方；它們之間靠鏈間肽鍵羧基上的氧和亞氨基上的氫形成氫鍵維系構象穩(wěn)定．
β-轉角：常發(fā)生于肽鏈進行180度回折時的轉角上，常有４個氨基酸殘基組成，第二個殘基常為脯氨酸。
無規(guī)卷曲：無確定規(guī)律性的那段肽鏈。
主要化學鍵：氫鍵。
�。玻┑鞍踪|的三級結構：指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，顯示為長距離效應。
主要化學鍵：疏水鍵（最主要）、鹽鍵、二硫鍵、氫鍵、范德華力。
�。常┑鞍踪|的四級結構：對蛋白質分子的二、三級結構而言，只涉及一條多肽鏈卷曲而成的蛋白質。在體內有許多蛋白質分子含有二條或多條肽鏈，每一條多肽鏈都有其完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基，亞基與亞基之間呈特定的三維空間排布，并以非共價鍵相連接。這種蛋白質分子中各個亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，為四級結構。由一條肽鏈形成的蛋白質沒有四級結構。
主要化學鍵：疏水鍵、氫鍵、離子鍵
五、蛋白質結構與功能關系
１、蛋白質一級結構是空間構象和特定生物學功能的基礎。一級結構相似的多肽或蛋白質，其空間構象以及功能也相似。
尿素或鹽酸胍可破壞次級鍵
β-巰基乙醇可破壞二硫鍵
２、蛋白質空間結構是蛋白質特有性質和功能的結構基礎。
肌紅蛋白：只有三級結構的單鏈蛋白質，易與氧氣結合，氧解離曲線呈直角雙曲線。
血紅蛋白：具有４個亞基組成的四級結構，可結合４分子氧。成人由兩條α-肽鏈（141個氨基酸殘基）和兩條β-肽鏈（146個氨基酸殘基）組成。在氧分壓較低時，與氧氣結合較難，氧解離曲線呈Ｓ狀曲線。因為：第一個亞基與氧氣結合以后，促進第二及第三個亞基與氧氣的結合，當前三個亞基與氧氣結合后，又大大促進第四個亞基與氧氣結合，稱正協(xié)同效應。結合氧后由緊張態(tài)變?yōu)樗沙趹B(tài)。
六、蛋白質的理化性質
�。�、蛋白質的兩性電離：蛋白質兩端的氨基和羧基及側鏈中的某些基團，在一定的溶液ＰＨ條件下可解離成帶負電荷或正電荷的基團。
�。�、蛋白質的沉淀：在適當條件下，蛋白質從溶液中析出的現象。包括：
a.丙酮沉淀，破壞水化層。也可用乙醇。
b.鹽析，將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，破壞在水溶液中的穩(wěn)定因素電荷而沉淀。
�。场⒌鞍踪|變性：在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，從而導致其理化性質的改變和生物活性的喪失。主要為二硫鍵和非共價鍵的破壞，不涉及一級結構的改變。變性后，其溶解度降低，粘度增加，結晶能力消失，生物活性喪失，易被蛋白酶水解。常見的導致變性的因素有：加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑、超聲波、紫外線、震蕩等。
４、蛋白質的紫外吸收：由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm處有特征性吸收峰，可用蛋白質定量測定。
５、蛋白質的呈色反應
a.茚三酮反應：經水解后產生的氨基酸可發(fā)生此反應，詳見二、３
b. 雙縮脲反應：蛋白質和多肽分子中肽鍵在稀堿溶液中與硫酸酮共熱，呈現紫色或紅色。氨基酸不出現此反應。蛋白質水解加強，氨基酸濃度升高，雙縮脲呈色深度下降，可檢測蛋白質水解程度。
七、蛋白質的分離和純化
�。薄⒊恋�，見六、２
�。病㈦娪荆旱鞍踪|在高于或低于其等電點的溶液中是帶電的，在電場中能向電場的正極或負極移動。根據支撐物不同，有薄膜電泳、凝膠電泳等。
３、透析：利用透析袋把大分子蛋白質與小分子化合物分開的方法。
�。�、層析：
a.離子交換層析，利用蛋白質的兩性游離性質，在某一特定ＰＨ時，各蛋白質的電荷量及性質不同，故可以通過離子交換層析得以分離。如陰離子交換層析，含負電量小的蛋白質首先被洗脫下來�！ �
b.分子篩，又稱凝膠過濾。小分子蛋白質進入孔內，滯留時間長，大分子蛋白質不能時入孔內而徑直流出。
�。怠⒊匐x心：既可以用來分離純化蛋白質也可以用作測定蛋白質的分子量。不同蛋白質其密度與形態(tài)各不相同而分開。
八、多肽鏈中氨基酸序列分析
a.分析純化蛋白質的氨基酸殘基組成
�。ǖ鞍踪|水解為個別氨基酸，測各氨基酸的量及在蛋白質中的百分組成）
↓
測定肽鏈頭、尾的氨基酸殘基
二硝基氟苯法（DNP法）
頭端 尾端 羧肽酶Ａ、Ｂ、Ｃ法等
丹酰氯法
↓
水解肽鏈，分別分析
胰凝乳蛋白酶（糜蛋白酶）法：水解芳香族氨基酸的羧基側肽鍵
胰蛋白酶法：水解賴氨酸、精氨酸的羧基側肽鍵
溴化脯法：水解蛋氨酸羧基側的肽鍵
↓
Edman降解法測定各肽段的氨基酸順序
�。ò被┒税被岬挠坞xα-氨基與異硫氰酸苯酯反應形成衍生物，用層析法鑒定氨基酸種類）
b.通過核酸推演氨基酸序列。
第二章 核酸的結構與功能
一、核酸的分子組成：基本組成單位是核苷酸，而核苷酸則由堿基、戊糖和磷酸三種成分連接而成�！ �
兩類核酸：脫氧核糖核酸（DNA），存在于細胞核和線粒體內。
核糖核酸（RNA），存在于細胞質和細胞核內。
�。�、堿基：
NH2
NH2 O CH3 O O
O O O NH2
胞嘧啶 胸腺嘧啶 尿嘧啶 鳥嘌呤 腺嘌呤
嘌呤和嘧啶環(huán)中均含有共軛雙鍵，因此對波長260nm左右的紫外光有較強吸收，這一重要的理化性質被用于對核酸、核苷酸、核苷及堿基進行定性定量分析。
�。�、戊糖：DNA分子的核苷酸的 糖是β-D-2-脫氧核糖，RNA中為β-D-核糖。
�。�、磷酸：生物體內多數核苷酸的磷酸基團位于核糖的第五位碳原子上。
二、核酸的一級結構
核苷酸在多肽鏈上的排列順序為核酸的一級結構，核苷酸之間通過3′，5′磷酸二酯鍵連接。
三、DNA的空間結構與功能
１、DNA的二級結構
DNA雙螺旋結構是核酸的二級結構。雙螺旋的骨架由 糖和磷酸基構成，兩股鏈之間的堿基互補配對，是遺傳信息傳遞者，DNA半保留復制的基礎，結構要點：
a.DNA是一反向平行的互補雙鏈結構 親水的脫氧核糖基和磷酸基骨架位于雙鏈的外側，而堿基位于內側，堿基之間以氫鍵相結合，其中，腺嘌呤始終與胸腺嘧啶配對，形成兩個氫鍵，鳥嘌呤始終與胞嘧啶配對，形成三個氫鍵。
b.DNA是右手螺旋結構 螺旋直徑為2nm。每旋轉一周包含了10個堿基，每個堿基的旋轉角度為36度。螺距為3.4nm，每個堿基平面之間的距離為0.34nm。
c.DNA雙螺旋結構穩(wěn)定的維系 橫向靠互補堿基的氫鍵維系，縱向則靠堿基平面間的疏水性堆積力維持，尤以后者為重要。
�。�、DNA的三級結構
三級結構是在雙螺旋基礎上進一步扭曲形成超螺旋，使體積壓縮。在真核生物細胞核內，DNA三級結構與一組組蛋白共同組成核小體。在核小體的基礎上，DNA鏈經反復折疊形成染色體。
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DNA的基本功能就是作為生物遺傳信息復制的模板和基因轉錄的模板，它是生命遺傳繁殖的物質基礎，也是個體生命活動的基礎。
DNA中的核糖和磷酸構成的分子骨架是沒有差別的，不同區(qū)段的DNA分子只是堿基的排列順序不同。
四、RNA的空間結構與功能
DNA是遺傳信息的載體，而遺傳作用是由蛋白質功能來體現的，在兩者之間RNA起著中介作用。其種類繁多，分子較小，一般以單鏈存在，可有局部二級結構，各類RNA在遺傳信息表達為氨基酸序列過程中發(fā)揮不同作用。如：
名 稱 功 能
核蛋白體RNA (rRNA) 核蛋白體組成成分
信使RNA (mRNA) 蛋白質合成模板
轉運RNA (tRNA) 轉運氨基酸
不均一核RNA (HnRNA) 成熟mRNA的前體
小核RNA (SnRNA) 參與HnRNA的剪接、轉運
小核仁RNA (SnoRNA) rRNA的加工和修飾
�。薄⑿攀筊NA（半衰期最短）
�。保﹉nRNA為mRNA的初級產物，經過剪接切除內含子，拼接外顯子，成為成熟的mRNA并移位到細胞質
�。玻┐蠖鄶档恼婧薽RNA在轉錄后５′末端加上一個７-甲基鳥嘌呤及三磷酸鳥苷帽子，帽子結構在mRNA作為模板翻譯成蛋白質的過程中具有促進核蛋白體與mRNA的結合，加速翻譯起始速度的作用，同時可以增強mRNA的穩(wěn)定性。３′末端多了一個多聚腺苷酸尾巴，可能與mRNA從核內向胞質的轉位及mRNA的穩(wěn)定性有關。
�。常┕δ苁前押藘菵NA的堿基順序，按照堿基互補的原則，抄錄并轉送至胞質，以決定蛋白質合成的氨基酸排列順序。mRNA分子上每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸，為三聯(lián)體密碼。
�。病⑥D運RNA（分子量最�。�
１）tRNA分子中含有10％～20％稀有堿基，包括雙氫尿嘧啶，假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等。
２）二級結構為三葉草形，位于左右兩側的環(huán)狀結構分別稱為DHU環(huán)和Tψ環(huán)，位于下方的環(huán)叫作反密碼環(huán)。反密碼環(huán)中間的3個堿基為反密碼子，與mRNA上相應的三聯(lián)體密碼子形成堿基互補。所有tRNA3′末端均有相同的CCA-OH結構。
�。常┤壗Y構為倒L型。
�。矗┕δ苁窃诩毎鞍踪|合成過程中作為各種氨基酸的戴本并將其轉呈給mRNA。
�。�、核蛋白體RNA（含量最多）
�。保┰松锏膔RNA的小亞基為16S，大亞基為5S、23S；真核生物的rRNA的小亞基為18S，大亞基為5S、5.8S、28S。真核生物的18SrRNA的二級結構呈花狀。
�。玻﹔RNA與核糖體蛋白共同構成核糖體，它是蛋白質合成機器－－核蛋白體的組成成分，參與蛋白質的合成。
�。础⒑嗣福耗承㏑NA 分子本身具有自我催化能，可以完成rRNA的剪接。這種具有催化作用的RNA稱為核酶。
五、核酸的理化性質
�。薄NA的變性
在某些理化因素作用下，如加熱，DNA分子互補堿基對之間的氫鍵斷裂，使DNA雙螺旋結構松散，變成單鏈，即為變性。監(jiān)測是否發(fā)生變性的一個最常用的指標是DNA在紫外區(qū)260nm波長處的吸光值變化。解鏈過程中，吸光值增加，并與解鏈程度有一定的比例關系，稱為DNA的增色效應。紫外光吸收值達到最大值的50％時的溫度稱為DNA的解鏈溫度（Tm），一種DNA分子的Tm值大小與其所含堿基中的G＋C比例相關，G＋C比例越高，Tm值越高。
�。病NA的復性和雜交
變性DNA在適當條件下，兩條互補鏈可重新恢復天然的雙螺旋構象，這一現象稱為復性，其過程為退火，產生減色效應。不同來源的核酸變性后，合并一起復性，只要這些核苷酸序列可以形成堿基互補配對，就會形成雜化雙鏈，這一過程為雜交。雜交可發(fā)生于DNA－DNA之間，RNA－RNA之間以及RNA－DNA之間。
六、核酸酶（注意與核酶區(qū)別）
指所有可以水解核酸的酶，在細胞內催化核酸的降解�？煞譃镈NA酶和RNA酶；外切酶和內切酶；其中一部分具有嚴格的序列依賴性，稱為限制性內切酶。
第三章 酶
一、酶的組成
單純酶：僅由氨基酸殘基構成的酶。
結合酶：酶蛋白：決定反應的特異性；
輔助因子：決定反應的種類與性質；可以為金屬離子或小分子有機化合物。
可分為輔酶：與酶蛋白結合疏松，可以用透析或超濾方法除去。
輔基：與酶蛋白結合緊密，不能用透析或超濾方法除去。
酶蛋白與輔助因子結合形成的復合物稱為全酶，只有全酶才有催化作用。
參與組成輔酶的維生素
轉移的基團 輔酶或輔基 所含維生素
氫原子 NAD+﹑NADP+ 尼克酰胺（維生素PP）
FMN﹑FAD 維生素B2
醛基 TPP 維生素B1
�；� 輔酶A﹑硫辛酸 泛酸、硫辛酸
烷基 鈷胺類輔酶類 維生素B12
二氧化碳 生物素 生物素
氨基 磷酸吡哆醛 吡哆醛（維生素B6）
甲基、等一碳單位 四氫葉酸 葉酸
二、酶的活性中心
酶的活性中心由酶作用的必需基團組成，這些必需基團在空間位置上接近組成特定的空間結構，能與底物特異地結合并將底物轉化為產物。對結合酶來說，輔助因子參與酶活性中心的組成。但有一些必需基團并不參加活性中心的組成。
三、酶反應動力學
酶促反應的速度取決于底物濃度、酶濃度、PH、溫度、激動劑和抑制劑等。
１、底物濃度
１）在底物濃度較低時，反應速度隨底物濃度的增加而上升，加大底物濃度，反應速度趨緩，底物濃度進一步增高，反應速度不再隨底物濃度增大而加快，達最大反應速度，此時酶的活性中心被底物飽合。
�。玻┟资戏匠淌�
V＝Vmax［S］／Km＋［S］
a.米氏常數Km值等于酶促反應速度為最大速度一半時的底物濃度。
b.Km值愈小，酶與底物的親和力愈大。
c.Km值是酶的特征性常數之一，只與酶的結構、酶所催化的底物和反應環(huán)境如溫度、PH、離子強度有關，與酶的濃度無關。
d.Vmax是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度呈正比。
�。�、酶濃度
在酶促反應系統(tǒng)中，當底物濃度大大超過酶濃度，使酶被底物飽和時，反應速度與酶的濃度成正比關系。
�。�、溫度
溫度對酶促反應速度具有雙重影響。升高溫度一方面可加快酶促反應速度，同時也增加酶的變性。酶促反應最快時的環(huán)境溫度稱為酶促反應的最適溫度。酶的活性雖然隨溫度的下降而降低，但低溫一般不使酶破壞。
酶的最適溫度不是酶的特征性常數，它與反應進行的時間有關。
�。�、PH
酶活性受其反應環(huán)境的PH影響，且不同的酶對PH有不同要求，酶活性最大的某一PH值為酶的最適PH值，如胃蛋白酶的最適PH約為1.8，肝精氨酸酶最適PH為9.8，但多數酶的最適PH接近中性。
最適PH不是酶的特征性常數，它受底物濃度、緩沖液的種類與濃度、以及酶的純度等因素影響。
５、激活劑
使酶由無活性或使酶活性增加的物質稱為酶的激活劑，大多為金屬離子，也有許多有機化合物激活劑。分為必需激活劑和非必需激活劑。
�。�、抑制劑
凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質統(tǒng)稱為酶的抑制劑。大多與酶的活性中心內、外必需基團相結合，從而抑制酶的催化活性。可分為：
�。保┎豢赡嫘砸种苿阂怨矁r鍵與酶活性中心上的必需基團相結合，使酶失活。此種抑制劑不能用透析、超濾等方法去除。又可分為：
a.專一性抑制劑：如農藥敵百蟲、敵敵畏等有機磷化合物能特民地與膽堿酯酶活性中心絲氨酸殘基的羥基結合，使酶失活，解磷定可解除有機磷化合物對羥基酶的抑制作用。
b.非專一性抑制劑：如低濃度的重金屬離子如汞離子、銀離子可與酶分子的巰基結合，使酶失活，二巰基丙醇可解毒。化學毒氣路易士氣是一種含砷的化合物，能抑制體內的巰基酶而使人畜中毒。
�。玻┛赡嫘砸种苿和ǔＲ苑枪矁r鍵與酶和（或）酶－底物復合物可逆性結合，使酶活性降低或消失。采用透析或超濾的方法可將抑制劑除去，使酶恢復活性�？煞譃椋�
a.競爭性抑制劑：與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶與底物結合形成中間產物。如丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用；磺胺類藥物由于化學結構與對氨基苯甲酸相似，是二氫葉酸合成酶的競爭抑制劑，抑制二氫葉酸的合成；許多抗代謝的抗癌藥物，如氨甲蝶呤（MTX）、5-氟尿嘧啶（５-FU ）、6-巰基嘌呤（6-MP)等，幾乎都是酶的競爭性抑制劑，分別抑制四氫葉酸、脫氧胸苷酸及嘌呤核苷酸的合成。
Vmax不變，Km值增大
b.非競爭性抑制劑：與酶活性中心外的必需基團結合，不影響酶與底物的結合，酶和底物的結合也不影響與抑制劑的結合。
Vmax降低，Km值不變
c.反競爭性抑制劑：僅與酶和底物形成的中間產物結合，使中間產物的量下降。
Vmax、 Km均降低
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